La entrada atmosférica no balística es una clase de trayectorias de entrada atmosférica que siguen una trayectoria no balística empleando sustentación aerodinámica en las capas altas de la atmósfera. Incluye trayectorias como el salto y el planeo. [1] [2]
Un salto es una trayectoria de vuelo en la que la nave espacial entra y sale de la atmósfera. Un planeo es una trayectoria de vuelo en la que la nave espacial permanece en la atmósfera durante un período de vuelo sostenido. [1] En la mayoría de los ejemplos, un reingreso con salto duplica aproximadamente el alcance de los aviones espaciales suborbitales y los vehículos de reentrada en comparación con la trayectoria puramente balística. En otros, una serie de saltos permite ampliar aún más el alcance.
La entrada atmosférica no balística se estudió seriamente por primera vez como una forma de extender el alcance de los misiles balísticos , pero no se usó operativamente en esta forma ya que se introdujeron misiles convencionales con alcance extendido. Los conceptos aerodinámicos subyacentes se han utilizado para producir vehículos de reentrada maniobrables (MARV), para aumentar la precisión de algunos misiles como el Pershing II . Más recientemente, los conceptos se han utilizado para producir vehículos de planeo hipersónicos (HGV) para evitar la intercepción, como en el caso del Avangard . La extensión del alcance se utiliza como una forma de permitir vuelos a altitudes más bajas, lo que ayuda a evitar la detección por radar durante un tiempo más largo en comparación con una ruta balística más alta.
El concepto también se ha utilizado para ampliar el tiempo de reentrada de los vehículos que regresan a la Tierra desde la Luna, que de otro modo tendrían que perder una gran cantidad de velocidad en poco tiempo y, por lo tanto, sufrirían tasas de calentamiento muy altas. El módulo de mando Apollo también utilizó lo que es esencialmente un reingreso con salto, al igual que el Zond soviético y el Chang'e 5-T1 chino .
Los primeros en observar la base conceptual fueron los oficiales de artillería alemanes, que descubrieron que sus proyectiles de flecha Peenemünder Pfeilgeschosse viajaban mucho más lejos cuando se disparaban desde altitudes mayores. Esto no era del todo inesperado debido a la geometría y al aire más fino, pero cuando se tuvieron en cuenta estos factores, todavía no podían explicar los alcances mucho mayores que se observaban. Las investigaciones en Peenemünde los llevaron a descubrir que las trayectorias más largas en el aire más fino de gran altitud dieron como resultado que el proyectil tuviera un ángulo de ataque que producía sustentación aerodinámica a velocidades supersónicas. En ese momento, esto se consideró altamente indeseable porque hacía que la trayectoria fuera muy difícil de calcular, pero su posible aplicación para extender el alcance no pasó inadvertida para los observadores. [3]
En junio de 1939, Kurt Patt, de la oficina de diseño de Klaus Riedel en Peenemünde, propuso unas alas para convertir la velocidad y la altitud de los cohetes en sustentación y alcance aerodinámicos. [4] Calculó que esto duplicaría aproximadamente el alcance de los cohetes A-4, de 275 kilómetros (171 millas) a unos 550 kilómetros (340 millas). Se consideró un desarrollo inicial bajo el nombre de A-9, aunque durante los siguientes años se llevaría a cabo poco trabajo aparte de los estudios en túnel de viento en la empresa Zeppelin-Staaken . La investigación de bajo nivel continuó hasta 1942, cuando se canceló. [5]
La primera propuesta conocida del concepto de planeo con impulso para un uso verdaderamente de largo alcance data del Silbervogel de 1941 , una propuesta de Eugen Sänger para un bombardero propulsado por cohete capaz de atacar la ciudad de Nueva York desde bases en Alemania y luego volar para aterrizar en algún lugar del Océano Pacífico en poder del Imperio del Japón . La idea sería utilizar las alas del vehículo para generar sustentación y elevarse en una nueva trayectoria balística, saliendo de la atmósfera nuevamente y dando al vehículo tiempo para enfriarse entre los saltos. [6] Más tarde se demostró que la carga de calentamiento durante los saltos era mucho mayor que la calculada inicialmente y habría derretido la nave espacial. [7]
En 1943, el trabajo del A-9 fue desempolvado nuevamente, esta vez bajo el nombre A-4b . Se ha sugerido que esto se debió a que ahora se basaba en un A-4 sin modificar, [5] o porque el programa A-4 tenía "prioridad nacional" en ese momento, y colocar el desarrollo bajo el nombre A-4 garantizaba la financiación. [8] El A-4b usaba alas en flecha para extender el alcance del V2 lo suficiente como para permitir ataques a ciudades del Reino Unido en las Midlands o para llegar a Londres desde áreas más profundas dentro de Alemania. [3] El A-9 era originalmente similar, pero más tarde presentó alas largas en forma de delta ojival en lugar de las alas en flecha más convencionales. Este diseño fue adaptado como una etapa superior tripulada para el misil intercontinental A-9/A-10, que planearía desde un punto sobre el Atlántico con el alcance suficiente para bombardear Nueva York antes de que el piloto saltara en paracaídas . [8] [a]
En la era inmediatamente posterior a la guerra, el ingeniero soviético de cohetes Aleksei Isaev encontró una copia de un informe actualizado de agosto de 1944 sobre el concepto de Silbervogel . Hizo traducir el documento al ruso y finalmente llegó a la atención de Joseph Stalin, quien estaba intensamente interesado en el concepto de un bombardero antípoda . En 1946, envió a su hijo Vasily Stalin y al científico Grigori Tokaty , que también había trabajado en cohetes alados antes de la guerra, a visitar a Sänger e Irene Bredt en París e intentar convencerlos de unirse a un nuevo esfuerzo en la Unión Soviética . Sänger y Bredt rechazaron la invitación. [10]
En noviembre de 1946, los soviéticos formaron la oficina de diseño NII-1 bajo la dirección de Mstislav Keldysh para desarrollar su propia versión sin Sänger y Bredt. [11] Su trabajo inicial los convenció de convertir un concepto de planeador hipersónico propulsado por cohetes en un misil de crucero supersónico propulsado por estatorreactores , no muy diferente del Navaho que se estaba desarrollando en los Estados Unidos durante el mismo período. El desarrollo continuó durante un tiempo como el bombardero Keldysh , pero las mejoras en los misiles balísticos convencionales finalmente hicieron que el proyecto fuera innecesario. [10] [b]
En los Estados Unidos, el concepto de planeo con salto fue defendido por muchos de los científicos alemanes que se mudaron allí, principalmente Walter Dornberger y Krafft Ehricke en Bell Aircraft . En 1952, Bell propuso un concepto de bombardero que era esencialmente una versión de lanzamiento vertical de Silbervogel conocida como Bomi. Esto condujo a una serie de conceptos posteriores durante la década de 1950, incluidos Robo, Hywards, Brass Bell y, en última instancia, el Boeing X-20 Dyna-Soar . [12] Los diseños anteriores eran generalmente bombarderos, mientras que los modelos posteriores estaban destinados al reconocimiento u otras funciones. Dornberger y Ehricke también colaboraron en un artículo de Popular Science de 1955 que presentaba la idea para su uso en aviones de pasajeros. [13] [14]
La introducción de misiles balísticos intercontinentales (ICBM) con éxito en el papel ofensivo acabó con todo interés en los conceptos de bombarderos con planeador, al igual que el satélite de reconocimiento para las funciones de avión espía. El caza espacial X-20 siguió despertando interés durante la década de 1960, pero finalmente fue víctima de recortes presupuestarios; después de otra revisión en marzo de 1963, Robert McNamara canceló el programa en diciembre, señalando que después de haberse gastado 400 millones de dólares todavía no tenían ninguna misión que cumplir. [15]
Durante la década de 1960, el concepto de planeo con salto despertó interés no como una forma de ampliar el alcance, lo que ya no era una preocupación con los misiles modernos, sino como la base para vehículos de reentrada maniobrables para misiles balísticos intercontinentales. El objetivo principal era que el RV cambiara su trayectoria durante la reentrada para que los misiles antibalísticos (ABM) no pudieran rastrear sus movimientos con la suficiente rapidez para una intercepción exitosa. El primer ejemplo conocido fueron las pruebas Alpha Draco de 1959, seguidas por la serie de pruebas de vehículos de reentrada con planeo con impulso (BGRV), ASSET [16] y PRIME [17] .
Esta investigación se puso finalmente en práctica en el vehículo de reentrada MARV del Pershing II . En este caso, no hay una fase de planeo prolongada; la ojiva utiliza la sustentación solo por períodos cortos para ajustar su trayectoria. Esto se utiliza en la última fase del proceso de reentrada, combinando datos de un sistema de navegación inercial Singer Kearfott con un radar activo de Goodyear Aerospace . [18] Se han desarrollado conceptos similares para la mayoría de los misiles balísticos de teatro de operaciones de las naciones con armas nucleares .
La Unión Soviética también había invertido algún esfuerzo en el desarrollo del MARV para evitar los ABM estadounidenses, pero el cierre de las defensas estadounidenses en la década de 1970 significó que no había razón para continuar con este programa. Las cosas cambiaron en la década de 2000 con la introducción de la Defensa Terrestre de Medio Curso de los EE. UU. , que llevó a Rusia a reanimar este trabajo. Se informó en octubre de 2016 que el vehículo, conocido como Objeto 4202 en la era soviética, había tenido una prueba exitosa. [19] El sistema se reveló públicamente el 1 de marzo de 2018 como el vehículo de planeo hipersónico (HGV) Avangard ( en ruso : Авангард ; en inglés: Vanguard ), que entró oficialmente en servicio activo como carga útil de ICBM el 27 de diciembre de 2019. [20] Vladimir Putin anunció que Avangard había entrado en producción en serie, afirmando que su maniobrabilidad lo hace invulnerable a todas las defensas de misiles actuales. [21]
China también ha desarrollado una ojiva de planeo con impulso, la DF-ZF (conocida por la inteligencia estadounidense como "WU-14"). [22] A diferencia de los diseños MARV de EE. UU. y Rusia, el objetivo principal del DF-ZF es utilizar el planeo con impulso para extender el alcance mientras vuela a altitudes más bajas que las que se utilizarían para alcanzar el mismo objetivo utilizando una ruta puramente balística. Esto tiene como objetivo mantenerlo fuera de la vista de los radares del Sistema de Combate Aegis de la Armada de los EE. UU. el mayor tiempo posible y, por lo tanto, disminuir el tiempo que tiene ese sistema para responder a un ataque. El DF-ZF se presentó oficialmente el 1 de octubre de 2019. Esfuerzos similares por parte de Rusia llevaron a los proyectos de prueba hipersónicos Kholod y GLL-8 Igla , y más recientemente al vehículo de planeo hipersónico Yu-71 que puede ser transportado por el RS-28 Sarmat . [23] [24]
El planeamiento con impulso se convirtió en tema de cierto interés como una posible solución al requisito de Ataque Global Rápido (PGS) de los EE. UU., que busca un arma que pueda alcanzar un objetivo en cualquier lugar de la Tierra en una hora desde el lanzamiento desde los Estados Unidos . PGS no define el modo de operación, y los estudios actuales incluyen la ojiva de planeamiento con impulso del Arma Hipersónica Avanzada , el avión hipersónico Falcon HTV-2 y los misiles lanzados desde submarinos. [25] Lockheed Martin está desarrollando este concepto como el AGM-183A ARRW hipersónico . [26]
La técnica fue utilizada por la serie soviética Zond de naves espaciales circunlunares, que utilizaban un salto antes del aterrizaje. En este caso, se requería un verdadero salto para permitir que la nave espacial alcanzara las áreas de aterrizaje de mayor latitud. Zond 6 , Zond 7 y Zond 8 lograron entradas con saltos exitosos, aunque Zond 5 no lo hizo. [27] [28] El Chang'e 5-T1 , que voló perfiles de misión similares a Zond, también utilizó esta técnica.
El módulo de mando del Apolo utilizó un concepto similar al de un salto para reducir las cargas de calentamiento del vehículo al extender el tiempo de reentrada, pero la nave espacial no volvió a salir de la atmósfera y ha habido un considerable debate sobre si esto lo convierte en un verdadero perfil de salto. La NASA se refirió a él simplemente como "entrada por elevación". Un verdadero perfil de múltiples saltos se consideró como parte del concepto de guía de saltos del Apolo, pero esto no se utilizó en ningún vuelo tripulado. [29] El concepto sigue apareciendo en vehículos más modernos como la nave espacial Orion , que realizó la primera entrada con saltos estadounidense en la misión Artemis 1 , utilizando computadoras de a bordo. [30] [31] [32]
Utilizando ecuaciones de movimiento simplificadas y suponiendo que durante el vuelo atmosférico tanto las fuerzas de arrastre como las de sustentación serán mucho mayores que la fuerza de gravedad que actúa sobre el vehículo, se pueden derivar las siguientes relaciones analíticas para un vuelo de reentrada en salto: [33]
donde es el ángulo de la trayectoria de vuelo respecto a la horizontal local, el subíndice E indica las condiciones al inicio de la entrada y el subíndice F indica las condiciones al final del vuelo de entrada.
La velocidad antes y después de la entrada se puede derivar para relacionarla de la siguiente manera:
donde es la relación sustentación-arrastre del vehículo.
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